Компанія "Dallas Semiconductor" випускає датчик температури DS1820Z який задовольняє по своїм параметрам поставлену задачу:
- точність ±0.5°C
- діапазон вимірювання температури-40°C +125°C
- діапазон напруги 2,7V до 5.5V
вимірювання залізничний транспорт метрологічний
2.2.2 Датчик вологості повітря на базі мікросхеми HIH3610
Вологість прийнято поділяти на абсолютну та відносну. При вимірюванні тієї, чи іншої величини використовують різні методи та прилади. Раніше вимірювання відносної вологості проводили за допомогою аспіраційних психрометрів. З розвитком електроніки та мікропроцесорної техніки вони відійшли на задній план. На даний час в якості таких вимірювачів використовують цифрові датчики з нормалізованим вихідним сигналом.
Одним з найбільших закордонних виробників датчиків вологості є “Honeywell”. Датчик саме цього виробника візьмемо для нашої ІВС. HIH3610 – датчик вологості (hymidity sensor) – має наступні параметри:
- діапазон вимірювання вологості 0-100 %;
- вихідна напруга 0.2-4.5 В;
- точність 2 на діапазоні 0-100 %;
- чутливість 43 мВ/%;
- напруга живлення 5 В.
2.2.3 Датчик атмосферного тиску на базі мікросхеми MPX 100
Для вимірювання атмосферного тиску використаємо датчик компанії “Motorola” MPX 100. Компанія “Motorola” створила і випускає широку гаму датчиків тиску, що призначені для використання не тільки на промислових об’єктах різних галузей. Датчики тиску, що розробляються цією компанією, дозволяють контролювати: абсолютний тиск; надлишковий тиск; перепади тиску;
- діапазон вимірювання тиску 0 - 100 kPa
- напруга 3.0-6.0 Vdc
- поточний Io 6.0 - mAdc
- повномасштабний проміжок VFSS 45-60-90 мілівольтів
- погашення Voff 0 20 35 мілівольтів
- чутливість - 0.6 - m/kPa
- лінійність - 0.25 %
- точність 0,5;
3. Оцінка статичних метрологічних характеристик
3.1 Статичні метрологічні характеристики вимірювання температури
Статична характеристика зображена на рисунку 3.1
U, V
Рисунок 3.1 - Статична характеристика датчика TMP36
Визначимо рівняння перетворення
(3.1)
(3.2)
де - максимальне значення напруги на виході датчика;
- мінімальне значення напруги на виході датчика;
- значення напруги на виході датчика при заданому ;
- значення температури на вході датчика;
- мінімальне значення температури на вході датчика;
- максимальне значення температури на вході датчика;
- значення коду після аналого-цифрового перетворення;
- опорна напруга;
- розрядність АЦП.
Підставимо вираз (3.1) в (3.2) із використанням числових значень
(3.3)
звідки виразимо :
(3.4)
Рисунок 3.2 – Залежність між вхідною величиною і вихідним кодом
Графічна схема вимірювального перетворення зображена на рисунку 3.2
Рисунок 3.3 - Схема вимірювального перетворення температури
Проаналізуємо складові рівняння (3.4)
- - номінальний коефіцієнт перетворення або чутливість засобу вимірювання
(3.5)
- - зміна чутливості в діапазоні перетворення
(3.6)
- - коефіцієнти впливу вплив них величин на вихідний параметр у засобу вимірювання
(3.7)
- - коефіцієнт впливу впливних величин на номінальну чутливість засобу вимірювань
(3.8)
Визначимо номінальну функцію перетворення
(3.9)
Визначимо похибку не лінійності номінальної функції перетворення
(3.10)
Мультиплікативна похибка перетворення
(3.11)
Адитивна похибка перетворення
(3.12)
3.2 Статичні метрологічні характеристики вимірювання тиску
Статична характеристика зображена на рисунку 3.3
Рисунок 3.4 - Статична характеристика датчика MPX100
(3.13)
(3.14)
- значення тиску на вході датчика;
- мінімальне значення тиску на вході датчика;
- максимальне значення тиску на вході датчика;
Підставимо вираз (3.13) в (3.14) із використанням числових значень
(3.15)
(3.16)
Рисунок 3.5 – Залежність між вхідною величиною і вихідним кодом
Графічна схема вимірювального перетворення зображена на рисунку 3.4
Рисунок 3.6 - Схема вимірювального перетворення тиску
Проаналізуємо складові рівняння (3.16)
(3.17)
(3.18)
- - коефіцієнти впливу впливних величин на вихідний параметр у засобу вимірювання
(3.19)
(3.20)
(3.21)
(3.22)
(3.23)
(3.24)
3.3 Статичні метрологічні характеристики вимірювання вологості
Статична характеристика зображена на рисунку 3.5
Рисунок 3.7 - Статична характеристика датчика HIH3610
(3.25)
(3.26)
- значення вологості на вході датчика;
- мінімальне вологості тиску на вході датчика;
- максимальне вологості тиску на вході датчика;
Підставимо числові значення і (3.25) в (3.26)
(3.27)
звідки:
(3.28)
Рисунок 3.8 – Залежність між вхідною величиною і вихідним кодом
Графічна схема вимірювального перетворення зображена на рисунку 3.6
Рисунок 3.9 - Схема вимірювального перетворення вологості
Проаналізуємо складові рівняння (3.28)
(3.29)
(3.30)
(3.31)
(3.32)
(3.33)
(3.34)
(3.35)
(3.36)
4. Оцінка динамічних метрологічних характеристик
4.1 Динамічні метрологічні характеристики вимірювання температури
Для вимірювального перетворювача температури використаємо диференціальне рівняння (4.1)
(4.1)
де: - температура сенсора,
- площа поверхні сенсора,
- питома теплоємність матеріалу сенсора,
- коефіцієнт конвекційного обміну
- вимірювана температура
Приймемо вихідну величину як одиничну функцію (функцію Хевісайда), отримаємо рівняння виду:
(4.2)
Побудуємо графік залежності вихідної величини від часу (рисунок 4.1).
Рисунок 4.1 - Графік залежності вихідної величини від одиничної функції
Приймемо вхідну величину як імпульсну функцію , тобто функцію Дірака, отримаємо розв’язок:
(4.3)
Побудуємо графік залежності вихідної величини від часу рисунок 4.2
Рисунок 4.2 – Графік залежності вихідної величини від часу
Знайдемо амплітудно частотну характеристику (АЧХ) та фазочастотну характеристику (ФЧХ).
Під час аналізу диференційних рівнянь зручно користуватися представленням сигналу у вигляді перетворення Лапласа. Скориставшись усіма правилами перетворення отримаємо рівняння. Поділивши вихідний сигнал на вхідний визначимо передатну функцію
. (4.4)
Для розрахунку АЧХ і ФЧХ зробимо заміну , щоб надалі можна була розділити дійсну та уявну частини.
(4.5)
Оскільки , а для побудови графіків краще задатись частотою то проведемо і таку заміну:
. (4.6)
Виділимо дійсну та уявну частини рівняння
, (4.7)
. (4.8)
Знайдемо АЧХ і ФЧХ за формулами:
, (4.9)
, (4.10)
, (4.11)
. (4.12)
Побудуємо амплітудно частотну характеристику (рисунок 4.3) та фазочастотну характеристик (рисунок 4.4).
Рисунок 4.3 – Амплітудно частотна характеристика
Рисунок 4.4 – Фазо частотна характеристика
4.2 Динамічні метрологічні характеристики вимірювання тиску
Для вимірювального перетворювача вологості використаємо диференціальне рівняння (4.13)
(4.13)
де: - масштабний множник
- параметри які визначаються експерементально
- значення вологості
(4.14)
(4.15)
Знаходження амплітудно частотної характеристики (АЧХ) та фазочастотної характеристики (ФЧХ).
, (4.16)
, (4.17)
Оскільки а для побудови графіків краще задатись частотою то проведемо і таку заміну:
, (4.18)
Виділимо дійсну та уявну частини рівняння.
, (4.19)
. (4.20)
, (4.21)
, (4.22)
, (4.23)
. (4.24)
Рисунок 4.4 – Фазочастотна характеристика
4.3 Динамічні метрологічні характеристики вимірювання вологості
Для вимірювального перетворювача вологості використаємо диференціальне рівняння (4.25)
(4.25)
де: - маса мембрани
- коефіцієнт демпферуання
- жорсткість мембрани
- поточне значення прогинання мембрани
- вимірюваний тиск
(4.26)
Рисунок 4.5 - Графік залежності вихідної величини від одиничної функції
(4.27)
Рисунок 4.6 – Графік залежності вихідної величини від часу
Знайдемо передатну функцію заданого диференціального рівняння
. (4.28)
Замінимо оператор Лапласа в передатній функції на та отримаємо комплексну частотну характеристику
. (4.29)
Виділимо дійсну та уявну частини в знаменнику:
. (4.30)
Помножимо чисельник та знаменник дробу на вираз, комплексно спряжений до знаменника, для того, щоб позбутись ірраціональності в знаменнику. В результаті отримаємо
. (4.31)
З даного виразу маємо дійсну
(4.32)
та уявну
. (4.33)
частини комплексної частотної характеристики.
Знайдемо амплітудно-частотну характеристику як корінь із суми піднесених до квадрату дійсної та уявної частин комплексної частотної характеристики:
. (4.34)
Замінимо , тоді
(4.35)
Графічно амплітудно-частотну характеристику наведено на рисунку 4.7
Рисунок 4.7 – Амплітудно-частотна характеристика
Знайдемо фазочастотну характеристику як мінус арктангенс відношення уявної частини комплексної частотної характеристики до дійсної
. (4.36)
Після заміни отримаємо
. (4.37)
Графік фазочастотної характеристики наведено на рисунку 4.8.
Рисунок 4.8– Фазочастотна характеристика
Висновки
В даній курсовій роботі розраховано статичні та динамічні характеристики інформаційно вимірювальної системи для пасажирських вагонів залізничного транспорту.
В першому розділі розглянуто загальні положення відносно розрахунку статичних і динамічних характеристик для засобів вимірювальної техніки .
В другому розділі представлено структурну схему інформаційно вимірювальної системи для пасажирських вагонів залізничного транспорту, описано основні вузли ІВС та параметри датчиків.
В третьому розділі розраховані статичні метрологічні характеристики відносно кожного з трьох каналів – температури, вологості та тиску.
В четвертому розділі оцінені динамічні метрологічні характеристики по кожному з каналів.
Література
1. Поліщук Є.С., Дорожовець М.М., Яцук В.О., та ін. Метрологія та вимірювальна техніка: Підручник / Є.С.Поліщук, М.М.Дорожовець, В.О.Яцук, В.М.Ванько, Т.Г.Бойко; За ред. проф. Є.С.Поліщука. – Львів: Видавництво “Бескид Біт”, 2003.
2. ДСТУ 2681-94. Метрологія. Терміни та визначення. – К.: Держстандарт України, 1994.
3. Володарський Є.Т., Кухарчук В.В, Поджаренко В.О., Сердюк Г.Б. Метрологічне забезпечення вимірювань і контролю. Навчальний посібник. – Вінниця ВДТУ, 2001.
4. Кухарчук В.В., Кучерук В.Ю., Долгополов В.П., Грумінська Л.В. Метрологія та вимірювальна техніка. Навчальний посібник. – Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2004.
Страницы: 1, 2
